广西送变电建设有限责任公司 广西南宁
摘要：直流滤波器作为换流站中的重要设备，是抑制高压直流输电系统直流侧谐波最有效的手段。直流滤波器运行工况较为复杂，导致的直流闭锁事故较多，因此为其配置完善、可靠的保护对整个直流输电系统极为重要。本文分为两个部分，第一部分是对直流滤波器保护的原理特点进行阐述，第二部分是在第一部分相关理论的基础上，结合对直流保护装置调试，为理论的进一步深化提供参考和为直流保护装置的调试提供借鉴。
关键词：高压直流输电系统；直流滤波器保护；不平衡保护
引言
直流输电作为一种新型大功率远距离输电技术已经在我国多条输电线路上成功应用,与交流输电系统相比，它具有适合远距离输电、输电距离不受电力系统同步运行稳定要求的限制、能够限制短路电流、提高系统的稳定性和可靠性使接线方式更加灵活等特点。随着±800kV 滇西北特高压直流工程顺利投运，对推动清洁发展、加快结构调整、拉动经济增长具有重大作用,直流输电在整个电力系统中的重要性和关键性日趋显著，它也将在我国超高压输电中占据更加重要的地位。
第一部分 直流滤波器保护的原理及特点
1直流滤波器差动保护
直流滤波器差动保护是用来检测直流滤波器和并联电容器内部任何接地故障，其保护区域包括整个直流滤波器。一般情况下保护装置是取直流滤波器高低压侧直流电流作为判别量。在正常运行时，电流是平衡的；当发生直流滤波器和并联电容器内部任何接地故障，会出现直流分流而导致高低压侧直流电流不平衡。保护通过检测差流来检测直流滤波器接地故障，在直流滤波器发生接地故障时将直流滤波器退出运行。直流滤波器差动保护的原理与一般的交流系统元件的差动保护原理相同,但实现方法有很大不同,因为它受到以下三个参数影响：
1.1时变的高次谐波电流
在正常运行情况下,直流滤波器中谐波电流的大小主要取决于触发角a(从脉冲触发到阀导通的角度)、重叠角r(两个阀同时导通的角度)和输送功率的变化,当交流电压不平衡时还会产生非特征谐波。这些谐波分量的频率和幅值的大小随着直流控制系统工况的改变和交流系统的运行情况发生很大的变化,很难在其中寻找一个占主导地位的分量,这样,直流滤波器的保护必须能不失真地反映多个频率的电量,为了正确反映这些高频分量,直流滤波器保护的采样频率必须为一般元件差动保护的4倍以上,这就要求保护装置硬件的处理速度要达到很高的水平,同时在软件上必须设计合适的数字滤波器来提取这些谐波分量。
1.2暂态过程
直流系统中存在大量的电容和电感等储能元件,在运行方式发生改变时,这些元件的充放电导致非常严重的暂态过程,滤波器中流过的电流瞬时达到正常情况下的几十倍,这时候如果TA特性不一致,就会产生较大的差电流,可能导致差动保护,同时由于直流滤波器本身就流过大量的谐波电流,导致不能用常规的TA饱和判据来判断差电流的产生原因,所以在差动保护算法中要充分考虑TA暂态特性不一致和TA饱和等因素。
1.3故障后的电流分布
直流滤波器主要由高端的电容器和低端的电阻电感元件组成,正常情况下其阻抗主要表现为容性,即高端的电容元件的阻抗占主导地位,低端的电感元件在正常情况下能够抵消一些容抗,如果差动保护区内发生接地故障之后,直流滤波器失去部分电感元件,其阻抗变化的趋势不确定,故障之后流过滤波器高端的电流可能增大(但增幅也不大),也可能减小,这样导致直流滤波器的差电流较小,要求差动保护的灵敏度很高才能可靠切除这种故障。
为了提高差动保护的灵敏度,一方面可以采用滤波器的低端电流作为差动保护的制动电流,区内故障时该电流不同程度地减小,有利于差动保护快速切除故障,另一方面可以配置变化量差动保护,该保护只反应故障分量电流,不受负荷电流的影响。
2直流滤波器不平衡保护
流滤波器的不平衡保护用于检测高端电容器的故障。保护高压电容器免受由于故障电容器单元对完好电容器组造成的过应力而使电容器单元雪崩损坏。由于高端电容器承受了直流线路所有的直流压降和大部分谐波压降,电容故障之后容易引起雪崩效应,并且高端电容不在差动保护范围之内,因此对该保护提出了很高的要求。为了便于检测故障,一般将电容器分成容量相等的两个支路,当某一个支路中电容器有损坏时,两支路中的谐波电流便出现了差异,以此来检测电容器故障。交流系统的电容器不平衡保护一般为一个不平衡电流的过电流元件,不平衡电流大于整定定值时即跳闸出口。直流线路上的谐波电压受直流控制系统的工况影响,波动范围很大,导致流过直流滤波器的谐波电流中的谐波分量随着时间变化,在电容相同损坏情况下,不同的运行方式有不同的不平衡电流,采用固定门槛的不平衡保护在这种情况下灵敏度很低。
3 直流滤波器后备保护
如果直流控制系统长期工作在非正常工作状态,导致流过直流滤波器的谐波电流长期较大,可能使直流滤波器中的电容元件和电抗元件发热过度,此时可以配置过电流保护和过负荷保护,但是这些保护都必须考虑到直流滤波器中流过的主要谐波分量,甚至需要考虑不同谐波的不同发热效应。因此需要配备后备保护来监测直流滤波器的过负荷，避免直流滤波器过应力。
第二部分 探究直流滤波器不平衡保护
本文以PCS-976D直流滤波器保护装置主要探究分析的是直流滤波器的不平衡保护。
2. 1直流滤波器不平衡保护的典型配置
直流滤波器不平衡保护原理主要是根据不平衡电流的含量来甄别大电容的工作状态，能够不受负荷的影响而快速、可靠、准确的发现大电容的故障或异常，并作出相应动作。
不平衡保护分为 3、6、12 次谐波三种计算方式。即，分别采用不平衡 CT 电流中的 3 次、6 次和 12 次谐波电流与尾端电流（也称穿越电流）的 3 次、6 次和 12 次谐波电流幅值进行比值运算。当任何一次谐波的条件满足，即可触发相应保护逻辑。
2.2 不平衡保护的分析
按照不平衡电流特征值计算的差异，不平衡保护分为稳态不平衡保护和暂态不平衡保护。稳态不平衡保护直接采用不平衡 CT 电流中的 3 次、6 次和 12 次谐波电流进行计算；而暂态不平衡保护采用的是不平衡 CT 电流中的 3 次、6 次和 12 次谐波电流的突变量，能够对直流滤波器正常情况下的固有不平衡电流进行补偿，因而具有更优异的特性。
结束语
由于直流系统运行方式的多样性以及谐波电压、电流的多变性，导致很难在众多的谐波分量中寻找一个占主导地位的分量，直流滤波器保护是围绕某次特征谐波还是围绕综合谐波作为判据来实现保护功能各有利弊。本文以成功投运的滇西北±800kV东方换流站工程为例，介绍直流滤波器保护原理和应用，针对直流滤波器不平衡保护进行试验，着重阐述了灵敏可靠的不平衡保护中引入穿越电流的制动作用,使不平衡保护不再受系统运行方式的影响,结合滇西北±800kV东方换流站工程发生的直流滤波器保护调试，为今后直流输电工程直流滤波器保护的设计与配置提供些许参考。
参考文献：
［1］ 赵畹君．高压直流输电工程技术［M］.北京；中国电力出版社，2011.
［2］ PCS-976D 直流滤波器成套保护装置技术说明书.南瑞继保